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JFE煉鐵技術(shù)動向

作者：佚名發(fā)布時間：1970-01-01
從2003年JFE起步至今已有5年，在這期間，以中國為代表的金磚四國（巴西、印度、中國、俄羅斯）和南美的經(jīng)濟發(fā)展備受矚目，對煉鐵行業(yè)的上下游市場產(chǎn)生了深遠影響，特別表現(xiàn)為鐵礦石、煤炭價格波動劇烈，粗鋼產(chǎn)量增長迅猛。另外，防止全球氣候變暖的《京都議定書》已經(jīng)生效，日本鋼鐵聯(lián)盟制定的自主行動計劃的減排目標是：與1990年相比，能源使用量必須削減10%，作為鋼鐵工業(yè)CO2排放量最大的煉鐵業(yè)，必須大幅削減CO2的排放量。本文圍繞煉鐵業(yè)過去10年間的環(huán)境變化及JFE煉鐵技術(shù)動向進行簡要介紹。
      　　
　　1.煉鐵業(yè)的市場變化及技術(shù)開發(fā)
      　　
　　1.1煉鐵業(yè)上下游市場變化
      　　
　　世界粗鋼產(chǎn)量、日本粗鋼產(chǎn)量的變化如圖1所示。1990年世界粗鋼產(chǎn)量在7～8億t/a之間，日本粗鋼產(chǎn)量一直維持在不足1億t/a。在原燃料品質(zhì)惡化、鋼材價格下跌的嚴峻經(jīng)濟形勢下，煉鐵業(yè)進行了以增大高爐煤氣產(chǎn)生量可削減能源成本，使用低價低質(zhì)燃料為目標的技術(shù)開發(fā)。
      　　
　　2000年由于中國粗鋼產(chǎn)量急劇上升，世界粗鋼產(chǎn)量超過8億t/a，2007年達到13.4億t/a。隨著鋼鐵需求的旺盛，日本粗鋼產(chǎn)量達到1.2億t/a，為應(yīng)對需求的增長，日本進行了高爐的集約化，使高爐出鐵比大幅增加。圖2是日本高爐運轉(zhuǎn)的座數(shù)、出鐵比的發(fā)展變化。
      　　
　　過去十年，為應(yīng)對瞬息萬變的經(jīng)濟形勢，高爐、燒結(jié)、煉焦、環(huán)保領(lǐng)域在技術(shù)開發(fā)及實用化方面取得了如下成果：
      　　
　　1.2高爐技術(shù)開發(fā)
      　　
　　90年代，各制鐵所運行著以降低能源成本為目的的煤氣多發(fā)型高回爐料比作業(yè)。圖3所示的是高回爐料比作業(yè)情況。高回爐料比作業(yè)是以降低焦炭成本為目的開發(fā)的微煤粉多量噴吹技術(shù)，它是偏心雙重噴吹技術(shù)與爐料分布控制技術(shù)等相結(jié)合的綜合成果，西日本制鐵所（福山地區(qū)）的３號高爐噴吹量達到266kg/t，同地區(qū)3號高爐以外的2～5號高爐的噴吹量達到210kg/t。另外，為保證臨界狀態(tài)高爐的穩(wěn)定作業(yè)，開發(fā)了連續(xù)測量高爐出鐵溫度的FIMPIT（Fiber in metallic tube for pigiron temperature）消耗型光纖溫度計，并實現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用（表１）。
      　　
　　表1.  高爐開發(fā)的主要技術(shù)
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      　　流程             技術(shù)
      　　——————————————————
      　　爐料裝料       3PB裝料系統(tǒng)
      　　高比例焦炭混合裝料
      　　風(fēng)口噴吹       高PC噴吹
      　　LNG噴吹
      　　過程控制       FIMPIT
      　　爐渣含量模型
      　　技術(shù)改造       短時改造
      　　鑄銅冷卻壁
      　　高爐壽命延長
      　　基本原理       DEM固體流量模型
      　　——————————————————
      　　
　　自2000年以來，為適應(yīng)上述情況的變化，努力尋求降低鐵水成本，從煤氣多發(fā)型作業(yè)向低回爐料比作業(yè)轉(zhuǎn)換，2007年的回爐料比比以往降低10%。
      　　
　　低回爐料比作業(yè)要求提高爐頂煤氣利用率，JFE開發(fā)了專有技術(shù)——在高爐改造時安裝3PB（3 parallel bunker）料鐘系統(tǒng)（由3個并列漏斗組成的裝料裝置），這種裝置可分批次裝料，同時結(jié)合具有分切篩選功能的多量混合裝入技術(shù)，東日本制鐵所（千葉地區(qū)）開發(fā)的120kg焦炭/t混合裝料技術(shù)已在其6號高爐實施應(yīng)用。另外，還開發(fā)了測定爐底鐵水、爐渣殘留量的數(shù)學(xué)模型，為穩(wěn)定高爐作業(yè)做出了貢獻。
      　　
　　東日本制鐵所（京濱地區(qū)）開發(fā)的含有高氫的LNG（液化天然氣）噴吹技術(shù)，在2號高爐的應(yīng)用表明可有效降低回爐料比、提高出鐵比、抑制CO2的排放，LNG富氧噴吹的補進技術(shù)于2005年實施應(yīng)用。
      　　
　　2007年，JFE共有9座高爐在運行，其中東日本制鐵所的千葉、京濱地區(qū)各有１座。縮短大修改造時間是個重大管理難題，為此JFE開發(fā)了大組團式循環(huán)工藝專有技術(shù)， 
      
　　1998年在東日本制鐵所（千葉地區(qū)）6號高爐大修改造時初次使用；隨后，西日本制鐵所（倉敷地區(qū)）4號高爐、2號高爐，福山地區(qū)5號高爐、4號高爐大修改造時也應(yīng)用了這項技術(shù)，取得了顯著成效。經(jīng)大修改造的東日本制鐵所（千葉地區(qū)）的6號高爐創(chuàng)造了20年零6個月的長壽記錄。
      　　
　　1.3燒結(jié)技術(shù)開發(fā)
      　　
　　燒結(jié)原料中低品位礦石的配比變化如圖4所示。從節(jié)省運費的角度出發(fā)，礦石進口地從原來的南美轉(zhuǎn)移到澳洲，但由于澳洲優(yōu)質(zhì)赤鐵礦的枯竭，低品位礦石如高結(jié)晶水礦石等的配比增加到65%。
      　　
　　高結(jié)晶水礦石中結(jié)晶水含量高達6%～10%，導(dǎo)致燒結(jié)礦為多孔質(zhì)、粉末多、強度低，燒結(jié)機生產(chǎn)效率低等問題（圖5）。
      　　
　　為提高燒結(jié)機生產(chǎn)效率，對燒結(jié)機上料焦炭進行強化偏析粒度的技術(shù)開發(fā)等（表2）。
      　　
　　表2.  燒結(jié)開發(fā)的主要技術(shù)
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      　　流程                  技術(shù)
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      　　造粒工藝        HPS
      　　石灰石和焦炭粉涂敷造粒
      　　裝料裝置        偏析光隙金屬絲法
      　　磁性裝料斗
      　　燒結(jié)機          底層滲透縫隙
      　　燒結(jié)臺車寬度擴張
      　　廢氣處理        活性炭處理
      　　燒結(jié)質(zhì)量        低SiO2燒結(jié)
      　　降低RDI
      　　基本原理和其他  高溫Ｘ射線CT分析
      　　造粒數(shù)學(xué)模型
      　　連續(xù)式卸載機
      　　無人操作系統(tǒng)
      　　創(chuàng)新工藝        預(yù)還原燒結(jié)礦
      　　分離造粒
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　　裝入弧狀金屬絲進行強化偏析的SSW（Segregating slit wire）偏析光隙金屬絲法開發(fā)并應(yīng)用于西日本制鐵所5號燒結(jié)機。另外，在裝料斗的背面配置永磁材料，可以降低燒結(jié)原料的下落速度，這種制動式裝料法是由西日本制鐵所（倉敷地區(qū)）開發(fā)并實施應(yīng)用于其3號燒結(jié)機；隨后，該所的2號、4號燒結(jié)機、東日本制鐵所（京濱地區(qū)）1號燒結(jié)機也采用了這項技術(shù)。原料中高結(jié)晶水最適宜的配比采用層內(nèi)偏析法解決，且相應(yīng)的裝料裝置已被采用。創(chuàng)新的造粒技術(shù)HPS(hybrid pelletized sinter) 
      
　　混合球團燒結(jié)工藝，即充分利用顆粒狀粉礦中的細粉，已在西日本制鐵所（福山地區(qū)）5號燒結(jié)機應(yīng)用，位于巴西的Belgo Mineira制鐵所也采用了這一工藝。
      　　
　　石灰石和焦炭粉涂敷造粒法是從現(xiàn)有的滾筒攪拌機后端噴涂石灰石粉、焦炭粉進行造粒的技術(shù)，因為在石灰石粉和焦炭粉表面上的準粒子，能夠聚集赤鐵礦各殘留粒子并形成鐵酸鈣。該法適用于小規(guī)模的設(shè)備改造，西日本制鐵所（倉敷地區(qū)）的2號、3號、4號燒結(jié)機，福山地區(qū)的4號燒結(jié)機也采用了這項技術(shù)，東日本制鐵所（千葉地區(qū)）的４號燒結(jié)機準備采用該技術(shù)。
      　　
　　擴大燒結(jié)產(chǎn)量的根本方法是擴寬機架，延長機身。
      　　
　　作為強化燒結(jié)的基礎(chǔ)技術(shù)，使用高溫X射線－CT掃描進行熔融、燒結(jié)反應(yīng)分析，構(gòu)建造粒數(shù)學(xué)模型。
      　　
　　CO2的減排要求給PRA (Pre-reduced agglomerates) 
      
　　部分預(yù)還原燒結(jié)礦工藝制造了挑戰(zhàn)，即通過該工藝要使燒結(jié)礦還原率達到60%。
      　　
　　優(yōu)質(zhì)赤鐵礦的枯竭導(dǎo)致高結(jié)晶水礦石配比增大，原料的粉末化、多孔質(zhì)，粉末中的Al2O3含量不斷增加，因此必須持續(xù)著眼于提高生產(chǎn)效率、降低還原粉化指數(shù)（RDI）等提高產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)開發(fā)。
      　　
　　1.4煉焦技術(shù)開發(fā)
      　　
　　90年代，為降低焦炭生產(chǎn)成本，在一定程度上犧牲了焦炭強度并努力減少強粘結(jié)煤。圖6是非/微粘結(jié)煤等低價劣質(zhì)煤的配比率及焦炭強度的變化趨勢。為抑制劣質(zhì)煤配比的增加造成焦炭強度的降低，綜合使用高級粉碎控制、高級配比模型、添加惰性物質(zhì)擴大粒徑的高級技術(shù)。
      　　
　　焦爐壽命的延長導(dǎo)致老焦爐的強迫惡化。為此開發(fā)的技術(shù)對策是引入大型溶射裝置，利用CVD(Chemical vapor deposition)化學(xué)蒸鍍技術(shù)對耐火材料的細微連續(xù)龜裂進行修補；高溫更換砌筑耐火材料技術(shù)；焦爐爐壁的管理技術(shù)等（表3）。
      　　
　　表3.  煉焦開發(fā)的主要技術(shù)
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      　　流程                          技術(shù)
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      　　煤預(yù)處理            先進的破碎控制
      　　煤混勻              先進的混勻模型
      　　控制焦炭粒徑用的惰性添加劑
      　　延長壽命            大型火焰噴射裝置
      　　焦爐爐墻的熱修補技術(shù)
      　　CVD技術(shù)修補爐壁
      　　間隙管理系統(tǒng)
      　　自動控制            焦爐設(shè)備的高速自動化操作
      　　在線監(jiān)測配煤粒度
      　　環(huán)境保護            配有低NOx排放煙道的焦爐
      　　基本原理和創(chuàng)新工藝  高溫核磁共振的煤質(zhì)鑒定
      　　煉焦煤精細涂敷
      　　鐵碳復(fù)合工藝
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　　眾所周知，提高焦炭反應(yīng)性可降低高爐回爐料比?，F(xiàn)在已經(jīng)著手開發(fā)通過鐵的觸媒效果提高焦炭反應(yīng)性的CIC（Carbon iron composite）鐵碳復(fù)合工藝，該工藝是以非/微粘結(jié)煤為主的煤炭與鐵礦石經(jīng)混合、成型、干餾形成含鐵的高反應(yīng)性炭材。
      　　
　　在日本高速發(fā)展期建設(shè)的舊焦爐面臨更新、煤炭價格暴漲的形勢下，要保證高出鐵比的穩(wěn)定作業(yè)，今后在煉焦領(lǐng)域所要研究的就是高強度焦炭的生產(chǎn)等。
      　　
　　1.5環(huán)保新工藝
      　　
　　根據(jù)自主行動計劃，制鐵所對廢塑料的使用追加了1.5%，2000年容器包裝循環(huán)法實施后，使用量急劇增加。自1996年以來，JFE在東日本制鐵所（京濱地區(qū)）的1號高爐（現(xiàn)在的2號高爐）、西日本制鐵所（福山地區(qū)）的3號、4號高爐，分別實施了高爐噴吹廢塑料技術(shù)。為控制噴吹塑料廢棄物時高爐透氣性的惡化，進行了造粒粒子強度、灰分成分控制的相關(guān)研究。
      　　
　　另外，還開發(fā)了與細粉煤燃燒性能一樣的廢塑料粉末化的先進技術(shù)（APR），2007年始用于東日本制鐵所。
      　　
　　報廢汽車的剪斷粉末化循環(huán)技術(shù)，利用廢棄木材制造活性炭，廢木材的高爐噴吹，氟利昂的感應(yīng)加熱分解等各種循環(huán)技術(shù)的開發(fā)，正在努力研究當中，均處于試驗階段。利用回轉(zhuǎn)窯進行聚氯乙烯脫氯技術(shù)在京濱地區(qū)已實現(xiàn)小規(guī)模應(yīng)用。
      　　
　　轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼的過程中，Cr礦石熔融還原時產(chǎn)生的粉塵中含有約9%的Cr，作為二次資源具有非常高的回收價值。在千葉地區(qū)，再資源化不銹鋼粉塵的STAR爐于1994年開始運行，每天可生產(chǎn)約200t含Cr鐵水。
      　　
　　為不再使用價格昂貴的強粘結(jié)煤，已開發(fā)出用礦粉直接生產(chǎn)高純度金屬鐵的冶煉工藝。2001年，獨立行政法人新能源.  
      
　　產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)作為基礎(chǔ)研究促進事業(yè)，安置了Hi-QIP（high quality iron pebble）高品位粒狀鐵試驗設(shè)備，該工藝是在回轉(zhuǎn)爐床上鋪敷粉煤，再在上面裝入礦粉，進行加熱、還原、熔融生產(chǎn)不含礦渣的高純度金屬鐵，這項研究還在進行當中，其大型化、產(chǎn)業(yè)化的可能性尚在探索過程中。
      　　
　　煉鐵工藝減排CO2、增加活性炭原材料等生物質(zhì)原料的使用、加大使用廢塑料是今后發(fā)展的必然趨勢。另外，對價格暴漲的Cr、Ni、Zn等金屬資源的有效利用，制鐵所以及社會對二次金屬資源的回收技術(shù)的需求將越來越高。
      　　
　　2.結(jié)束語
      　　
　　過去10年間，煉鐵行業(yè)的上下游市場環(huán)境發(fā)生了劇烈變化，高爐作業(yè)也發(fā)生了巨大變化。巴西、中國、印度鋼鐵工業(yè)的發(fā)展造成煤炭、鐵礦石資源的緊張，根據(jù)全球氣候變暖的國際公約《京都議定書》制定的自主行動計劃對CO2減排的要求，促使今后必須進行新技術(shù)的開發(fā)。
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